SU851136A1

SU851136A1 - Mechanical value transducer

Info

Publication number: SU851136A1
Application number: SU802866555A
Authority: SU
Inventors: Александр Аркадьевич Красовский; Александр Иванович Сорока; Василий Васильевич Черкашин
Priority date: 1980-01-07
Filing date: 1980-01-07
Publication date: 1981-07-30

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в приборостроении при разработке измерителей линейных, угловых j и гравитационных ускорений, а также микромоментометров компенсационного типа.The invention relates to measuring equipment and can be used in instrument engineering in the development of linear, angular j and gravitational acceleration meters, as well as compensation type micro-momentometers.

Известны устройства для измерения , моментов, сил и ускорений, содержа- gg щие корпус, подвижный чувствительный элемент, датчик углового положения чувствительного элемента, электронный блок обратной связи, токопередающий узел и моментный датчик [1].Devices for measuring moment, force and acceleration are known, comprising a gg housing, a movable sensing element, a sensor of the angular position of the sensing element, an electronic feedback unit, a current-transmitting unit, and a moment sensor [1].

Однако эти устройства не обеспе- '5 чивают требуемой чувствительности и точности измерений вследствие нестабильности механического момента токопередающего узла.However, these devices do not provide the required sensitivity and accuracy of measurements due to the instability of the mechanical moment of the current-transmitting unit.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее корпус, подвижный чувствительный элемент,, датчик углового положения чувствитель- __ ного элемента, электронный блок об- ^Λратной связи с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала, магнитоэлектрический моментный датчик и дптронный токопередающий узел, выполненный В виде двух пар сопряжен-30 ных светоизлучателей и фотоприемников [2] .The closest in technical essence to the proposed is a device comprising a housing, the movable sensor element of the angular position sensor ,, __ Nogo sensitive element, the electronic unit ob- ^Λ inverse relation to the pulse-width modulated output signal, the torque sensor and the magnetoelectric dptronny tokoperedayuschy node made in the form of two pairs of paired 30 light emitters and photodetectors [2].

Однако это устройство для измерения моментов, сил и-ускорений не обеспечивает требуемой точности и надежности измерений вследствие нестабильности работы датчика углового положения чувствительного элемента, слабой помехозащищенности оптронного токопередающего узла и недоста.-. точной устойчивости механической колебательной системы к воздействию инерционных, вибрационных и ударных перегрузок.However, this device for measuring moments, forces and accelerations does not provide the required accuracy and reliability of measurements due to the instability of the sensor of the angular position of the sensing element, poor noise immunity of the optocoupler transmitting node and lack. the exact stability of the mechanical oscillatory system to the effects of inertial, vibrational and shock overloads.

Цель изобретения - повышение надежности и точности.The purpose of the invention is to increase reliability and accuracy.

Поставленная цель “достигается тем, что датчик углового положения чувствительного элемента выполнен в виде двух установленных на чувствительном элементе зеркальных отражателей л закрепленного на корпусе светоиэлучателя, подключенного к стабилизированному источнику питания и оптически связанного с трехканальным световодом, два канала которого выполнены коаксиальными, а на их выходе установлены дифференциально включенные полупроводниковые фотоприемники, подключенные к блоку обратнойThe goal “is achieved by the fact that the sensor of the angular position of the sensor is made in the form of two mirror reflectors mounted on the sensor and mounted on a light emitter housing connected to a stabilized power source and optically connected to a three-channel fiber, two channels of which are made coaxial, and at their output installed differentially switched semiconductor photodetectors connected to the reverse unit

Г связи, при этом на выходе третьего канала световода установлен фотоприемник, идентичный по своим характеристикам дифференциально включенным полупроводниковым фотоприемником, выход которого связан с амплитудным регулятором стабилизированного источника питания, а на выходе блока обратной связи включен светоизлучатель, связанный через световолоконный кабель и дополнительный фотоприемник со счетчиком.G connection, while at the output of the third channel of the fiber there is a photodetector identical in its characteristics to a differentially switched semiconductor photodetector, the output of which is connected to the amplitude regulator of a stabilized power source, and a light emitter connected via a fiber optic cable and an additional photodetector with a counter is turned on at the output of the feedback block .

На фиг. 1 изображен преобразователь механических величин;на фиг.2 графики р’ежимов работы устройства.In FIG. 1 shows a converter of mechanical quantities; FIG. 2 graphs of the operation modes of the device.

Устройство для измерения моментов, сил и ускорений состоит из корпуса 1, связанного со стабилизированными Магнитами 2 моментного датчика гальванометрического типа и защитным кожухомA device for measuring moments, forces and accelerations consists of a housing 1 connected to stabilized magnets 2 of a galvanometric-type torque sensor and a protective casing

З.В корпусе 1 с помощью подшипников 4, например,агатовых или сапфировых, регулируемых гайкой 5, закреплен на кернах 6 подвижный чувствительный элемент 7, содержащий обмотку 8 моментного датчика, к которой подключены дифференциальные включенные фотоприемники 9 оптронного токопередающего узла, и закреплены два зеркальных отражателя 10 оптроннотсветоводного датчика углового положения чувствительного элемента. Этот датчик установлен на корпусе 1 и содержит светоизлучатель 11, подключенный к стабилизированному источнику 12 питания и оптически сопряженный с трехканальным световодом 13, два канала 14 которого выполнены коаксиальными. На их выходах установлены дифференциально включенные полупроводниковые фотоприемники 15, подключенные через электронный блок 16 обратной связи к двум встречно-параллельно включенным полупроводниковым излучателям 17 оптронного токопередающего узла.C. In the housing 1, using bearings 4, for example, agate or sapphire, regulated by a nut 5, a movable sensing element 7 is mounted on the cores 6, containing a winding 8 of the torque sensor, to which the differential included photodetectors 9 of the optocoupler transmitting unit are connected, and two mirror the reflector 10 of the optocoupler sensor of the angular position of the sensing element. This sensor is mounted on the housing 1 and contains a light emitter 11 connected to a stabilized power source 12 and optically coupled to a three-channel light guide 13, the two channels 14 of which are made coaxial. At their outputs, differentially-connected semiconductor photodetectors 15 are connected, connected through an electronic feedback block 16 to two counter-parallel connected semiconductor emitters 17 of an optocoupler transmitting node.

На выходе третьего канала световода 13 установлен фотоприемник 18, который связан с амплитудным регулятором стабилизированного источника 12 питания светоизлучателя · 11. При этом основные технические и эксплуатационные характеристики фотоприемников 15 и 18 идентичны.At the output of the third channel of the light guide 13, a photodetector 18 is installed, which is connected to the amplitude regulator of a stabilized light emitter 12 power supply · 11. Moreover, the main technical and operational characteristics of the photodetectors 15 and 18 are identical.

SOSO

В корпусе 1 устройства закреплены полупроводниковые излучатели 17 и два световода 19, взаимно согласованнке по оптическим и спектральным характеристикам с фотоприемниками 9 оптронного токопередающего узла. Выходной сигнал устройства регистрируется. цифровым индикатором или счетчиком 20, связанным с фотоприем- 40 ником 21 и световолоконным кабелем 22 через светоизлучатель 23 с электронным блоком 16 обратной связи, осуществляющим широтно-импульсную модуляцию выходного сигнала. 65Semiconductor emitters 17 and two optical fibers 19 are fixed in the housing 1 of the device, mutually coordinated in terms of optical and spectral characteristics with photodetectors 9 of the optocoupler transmitting node. The output signal of the device is recorded. a digital indicator or counter 20, connected to the photodetector 40 21 and the fiber optic cable 22 through the light emitter 23 with the feedback electronic block 16, which performs pulse-width modulation of the output signal. 65

Преобразователь работает следующим образом.The converter operates as follows.

Под действием входного полезного сигнала в виде измеряемого момента, силы, линейного, углового или гравитационного ускорения, гравитационного градиента или угловой скорости подвижный чувствительный элемент '7 поворачивается относительно оси вращения в подшипниках 4 и 6 на угол ft . Оптронно-световодный датчик углового положения чувствительного элемента преобразовывает его угловое перемещение в электрический сигнал, пропорциональный углу fl . Этот сигнал, полученный на выходе фотоприемников 15, усиливается и преобразуется в электронном блоке 16 обратной связи в широтно-импульсное модулированное напряжение, под действием которого начинают поочередно излучать световой поток излучатели 17 оптронного токопередающего узла. Световой поток излучателей 17 через световоды 19 воспринимается дифференциально включенными фотоприемниками 9,^сзакрепленными на рамке чувствительного элемента 7 и связанными с обмотка?· ми 8 моментного датчика гальванометрического типа. На выходе фотоприемников 9 кроме переменного импульсного напряжения имеется и постоянная составляющая напряжения, пропорциональная сигналу оптронного датчика углового положения, которая создает в обмотке 8 ток, компенсирующий момент от измеряемого входного полезного сигнала.Under the action of the input useful signal in the form of a measured moment, force, linear, angular or gravitational acceleration, gravitational gradient or angular velocity, the movable sensing element 7 rotates about an axis of rotation in bearings 4 and 6 by an angle ft. An optical fiber guide of the angular position of the sensing element converts its angular displacement into an electrical signal proportional to the angle fl. This signal received at the output of the photodetectors 15 is amplified and converted in the feedback electronic block 16 into a pulse-width modulated voltage, under the action of which the emitters 17 of the optocoupler transmitting unit begin to radiate the light flux. The luminous flux of the emitters 17 through the optical fibers 19 is perceived by the differentially switched on photodetectors 9, ^{which are} mounted on the frame of the sensing element 7 and connected to the winding? · Mi 8 of the galvanometric-type torque sensor. At the output of the photodetectors 9, in addition to an alternating pulse voltage, there is also a constant voltage component proportional to the signal of the optocoupler angular position sensor, which creates a current in the winding 8 that compensates for the moment from the measured useful input signal.

Бесконтактное измерение микроперемещений зеркальных отражателей 10, скрепленных с чувствительным элементом 7, относительно выходного торца коаксиальных световодов 14, скрепленных с корпусом 1, оптронного датчика углового положения чувствительного элемента осуществляется следующим образом.Non-contact measurement of micromovements of the mirror reflectors 10, bonded to the sensing element 7, relative to the output end of the coaxial optical fibers 14, bonded to the housing 1, of the optical sensor of the angular position of the sensing element is as follows.

Световой поток (Ф_о) от светоизлучателя 11, запитанного от стабилизированного источника 12 питания, охваченного обратной связью по интенсивности света излучателя 11 с помощью световода 13 и фотоприемника 18, проходит по'внутреннему каналу коаксиальных световодов 14 и выходит из него в виде пучка лучей. Отразившись от зеркальных отражателей 10, световой поток попадает в приемную часть коаксиальных световодов 14 и по ним поступает на фотоприемники 15, сигналы которых пропорциональны измеряемым перемещениям, а разностный сигнал дифференциально включенных фотоприемников 15 пропорционален измеряемому углу.The light flux (Ф _о ) from the light emitter 11, fed from a stabilized power source 12, covered by feedback on the light intensity of the emitter 11 using the light guide 13 and the photodetector 18, passes through the internal channel of the coaxial optical fibers 14 and leaves it in the form of a beam of rays. Reflected from the mirror reflectors 10, the light flux enters the receiving part of the coaxial optical fibers 14 and is transmitted through them to the photodetectors 15, the signals of which are proportional to the measured displacements, and the difference signal of the differential-connected photodetectors 15 is proportional to the measured angle.

Структура статических характеристик оптронного датчика углового положения показывает, что его динамические характеристики можно пред ставить нелинейным элементом с характеристиками типа ’’ограничение’¹. Такая характеристика датчика угловых положений является следствием конструктивных особенностей используемых коаксиальных световодов 14 и существованием режима насыщения в полупроводниковых фЬтоприемниках 15, работающих в вентильном режиме.The structure of the static characteristics of the angular position optocoupler sensor shows that its dynamic characteristics can be represented by a nonlinear element with characteristics of the `` restriction '' type ¹ . Such a characteristic of the angular position sensor is a consequence of the design features of the coaxial optical fibers 14 used and the existence of a saturation mode in semiconductor photodetectors 15 operating in the gate mode.

Наличие в преобразователе кроме механической колебательной системы и моментного датчика обратной связи нелинейного элемента в виде оптронного датчика углового положения чув-* ствительного элемента создаёт возможность для возникновения режима автоколебаний. В этом режиме работы 15 преобразователя, при отсутствии входного полезного сигнала, на выходе усилителя электронного блока 16 обратной связи формируются импульсы напряжения постоянной ампли-;дай 20 длительности. Среднее значение напряжения, снимаемого с выхода блока 16 и фотоприемников 9, в этом случае равно нулю. При действии на чувствительный элемент 7 входного полезного сигнала, например углового ускорения (¢) (фиг. 2) , длительность импульсов на выходе блока 16 и излучателей 17 меняется (фиг. 3), и на выходе фотоприемников 9 появляется постоянная составляющая напряжения (фиг. 4)., пропорциональная измеряемому полезному сигналу, которая создает в обмотке 8 ток, компенсирующий силовое воздействие измеряемого ускорения .The presence in the transducer, in addition to a mechanical oscillatory system and a moment feedback sensor of a nonlinear element in the form of an optocoupler sensor of the angular position of the sensitive element *, creates the possibility for the appearance of a self-oscillation mode. In this operating mode 15 of the converter, in the absence of an input useful signal, voltage pulses of constant amplitude are generated at the output of the amplifier of the electronic feedback block 16; give 20 durations. The average value of the voltage taken from the output of block 16 and photodetectors 9, in this case is zero. When the input useful signal, for example, angular acceleration (¢) (Fig. 2) acts on the sensitive element 7, the pulse duration at the output of block 16 and emitters 17 changes (Fig. 3), and a constant voltage component appears at the output of photodetectors 9 (Fig. 4)., Proportional to the measured useful signal, which creates a current in the winding 8, compensating for the force effect of the measured acceleration.

Таким образом, преобразователь работает в автоколебательном режиме компенсационного измерения инерционных, гравитационных и кориолисовых сил и ускорений. При этом автокоде- . бательный режим работы устройства позволяет уменьшить,, в зависимости от частоты и амплитуды автоколебаний, в десятки и сотни раз влияние сухого трения в подшипниковых опорах чувствительного элемента, приравнивая их по механической чувствительности к торсионным подвесам. Это позволяет существенно упростить конструкцию, изготовление и эксплуатацию механической колебательной системы с подшипниковыми опорами по сравнению с торсионными подвесами чувствительного элемента.Thus, the converter operates in a self-oscillating mode of compensation measurement of inertial, gravitational and Coriolis forces and accelerations. In this car code. The operational mode of operation of the device makes it possible to reduce, depending on the frequency and amplitude of self-oscillations, tens and hundreds of times the effect of dry friction in the bearing supports of the sensing element, equating them in mechanical sensitivity to torsion suspensions. This allows you to significantly simplify the design, manufacture and operation of a mechanical oscillatory system with bearing bearings compared to the torsion suspensions of the sensing element.

Использование изобретения позволяет повысить точность, помехозащищенность и надежность измерителей - моментов,.сил и ускорений автоком^э пенсационного типа с линеаризацией выходного сигнала.Use of the invention allows to improve the accuracy, noise immunity and reliability meters - moments and accelerations .sil Avtocom ^e null method type with linearization of the output signal.

Claims

The invention relates to a measurement technique and can be used in instrument making in the development of linear, angular and gravitational accelerometers, as well as compensating-type micro torque meters. Devices for measuring moments, forces and accelerations are known, comprising a housing, a movable sensitive element, an angular position sensor of the sensitive element, an electronic feedback unit, a current-transmitting unit and a torque sensor (1, However, these devices do not provide the required sensitivity and accuracy of measurements the mechanical moment of the current transmitting node. The closest in technical essence to the proposed invention is a device comprising a housing, a movable sensitive element, a sensor the angular position of the sensing element, an electronic feedback unit with pulse-width modulated output signal, a magnetoelectric torque sensor and an optocoupler current transmitting unit, made s in the form of two pairs of conjugate light emitters and photodetectors 2. However, this device for measuring the moments, strengths and acceleration does not provide the required accuracy to the measurement reliability due to the instability of the sensor operation of the angular position of the sensitive element, weak noise immunity of the optocoupler current ayuschego node nedosta.tochnoy stability and mechanical oscillating system to the effects of inertia, vibration and shock loads. The purpose of the invention is to increase reliability and accuracy. The goal is achieved by the fact that the sensor of the angular position of the sensitive element is made in the form of two mirror reflectors 41 mounted on the sensitive element 41 mounted on the housing of a light emitter connected to a stabilized power source and optically connected to a three-channel light guide, two channels of which are made coaxial and The output is equipped with a differentially connected semiconductor photodetectors connected to the feedback unit, with the output of the third channel The photodiode is installed on the photodiode, which is identical in its characteristics to a differentially connected semiconductor photodetector, the output of which is connected to the c1-p-regulator of the stabilized source (Nick power, and at the output of the feedback unit a light emitter connected via a fiber-optic cable and an additional photo-receiver with a counter is turned on. In FIG. 1 shows the transducer mechanical values; figure 2 graphics modes of operation of the device. The device for measuring the moment of force and acceleration consists of a case of galvanic metric type connected with stabilized mannits 2 torque sensors and a protective casing. In case 1 with bearing power, for example, agate or sapphire, p t by nut 5, fixed on cores b A movable sensitive element 7 containing a winding of an 8-moment sensor, to which differential included photo receivers 9 of an optocoupler current-transmitting unit are connected, and two mirror reflectors 10 of an opto-guided-air sensor at the global position of the sensing element. This sensor is mounted on housing 1 and contains a light emitter 11 connected to a stabilized power supply 12 and optically coupled to a three-channel light guide 13, two channels 14 of which are coaxial. Differentially connected semiconductor photodetectors 15, connected via an electronic feedback unit 16 to two detected-in parallel semiconductor radiators 17 of an optocoupler transmitting unit, are installed at their outputs. At the output of the third channel of the light guide 13, a photodetector 18 is mounted, which is connected to the amplitude regulator of the stabilized source 12 of the light emitter. 11. At the same time, the main technical and operational characteristics of photodetectors 15 and 18 are identical. In the device case 1, semiconductor emitters 17 and two light guides 19 are fixed, mutually coordinated by optical and spectral characteristics with photoreceivers 9 of an optocoupler transmitting unit. The output signal of the device is registered by a digital indicator Ilr by a counter 20 connected with a photoreceiver 21 and a fiber optic cable 22 via a light emitter 23 with an electronic feedback unit 16 that performs pulse-width modulation of the output signal. The converter works as follows. Under the action of the input useful signal in the form of a measured moment, force, linear, angular or gravitational acceleration, gravitational gradient or angular velocity, the movable sensitive element 7 rotates relative to the axis of rotation in bearings 4 and 6 by an angle f. The optical-optic sensor of the angular position of the sensitive element converts its angular displacement into an electrical signal proportional to the angle ft. This signal received at the output of the photodetectors 15 is amplified and converted in the electronic feedback unit 16 into a pulse-width modulated voltage, under the action of which begin to alternately emit light flux emitters 17 optocoupler current-transmitting node. The luminous flux of the emitters 17 through the optical fibers 19 is perceived by differentially connected photodetectors 9, mounted on the frame of the sensing element 7 and connected to the windings 8 of a galvanometric type torque sensor. At the output of the photodetectors 9, in addition to the alternating pulsed voltage, there is also a constant voltage component proportional to the signal of the optical position angle sensor, which creates a current in the winding 8 that compensates for the moment from the measured input useful signal. The non-contact measurement of the microdisplacements of the mirror reflectors 10 fastened to the sensing element 7 relative to the output end of the coaxial optical fibers 14 fastened to the housing 1 of the optronic sensor of the angular position of the sensitive element is carried out as follows. The luminous flux (FD) from the light emitter 11 fed from the stabilized power supply 12, feedback-controlled by the intensity of the light of the emitter 11 using the optical fiber 13 and the photodetector 18, passes the downstream channel of the coaxial optical fibers 14 and leaves it in the form of a beam of rays. Reflected from the mirror reflectors 10, the luminous flux enters the receiving part of the coaxial optical fibers 14 and through them arrives at the photodetectors 15, the signals of which are proportional to the displacements being measured, and the difference signal of the differentially connected photodetectors 15 is proportional to the measured angle. The structure of the static characteristics of the optical position sensor of the angular position shows that its dynamic characteristics can be represented by nonlinear elements with characteristics such as constraints. This characteristic of the angular position sensor is a consequence of the design features of the used coaxial light guides 14 and the existence of a saturation mode in the semi-conductor optical receiver 15 operating in the valve mode. The presence of a nonlinear element in the form of an optocoupler of the angular position of the sensing element in the transducer, in addition to the mechanical oscillatory system and the torque sensor, provides an opportunity for the occurrence of a self-oscillation mode. In an echo mode of operation of the converter, in the absence of an input useful signal, pulses are formed at the output of the amplifier of the electronic feedback block 16. voltage constant amplitude; dy and duration. The average value of the voltage, taken from the output of block 16 and photodetectors 9, is zero in this case. When acting on the sensitive element 7 of the input useful signal, for example, angular acceleration ao (Fig. 2), the duration of the pulses at the output of the block 16 and emitters 17 varies (Fig. 3), and the output component of the photodetectors 9 appears (Fig. 4). is proportional to the measured useful signal, which creates a current in the winding 8 that compensates for the force effect of the measured acceleration. Thus, the converter operates in the self-oscillatory mode of compensation measurement of inertial, gravitational and Coriolis forces and accelerations. In this case, the self-oscillation mode of the device allows to reduce, depending on the frequency and amplitude of the self-oscillations, tens and hundreds of times the influence of dry friction in the bearing supports of the sensing element, equating them with mechanical sensitivity to torsion suspensions. This makes it possible to significantly simplify the design, manufacture and operation of a mechanical oscillatory system with bearing supports in comparison with torsion suspensions of the sensing element. The use of the invention improves the accuracy, noise immunity and reliability of the torque meters. forces and accelerations of autocompensation type with linearization of the output signal. Claims The mechanical value transducer comprising a housing, a movable sensitive element, a sensor of the angular position of the sensitive element, a feedback unit associated with the light emitters of an optocoupler transmitting unit, and a torque sensor, characterized in that, in order to improve the accuracy and reliability of the sensor the angular position of the sensing element is designed as two mirror reflectors mounted on the sensing element and mounted on the housing of the light emitter connected to a hundred a bilised power supply and optically coupled to a three-channel optical fiber, two channels of which are made coaxial, and differentially connected semiconductor photo receivers, connected to the feedback unit, are installed at the output, while a photodetector identical in its output is installed at the output of the third channel of the optical fiber characteristics of differentially connected semiconductor photodetectors, the output of which is connected with the amplitude regulator of the stabilized power source, and at the output of the unit of inverse communication enabled svetoizluchazel linked via fiber-optic cable and the additional photodetector with a counter. Sources of information taken into account during the examination 1. USSR Author's Certificate No. 356494, cl. G 01 L 3/14, 14.01.71.

2. USSR author's certificate 562738, cl. G 01 L 3/14, 02.02.76. (prototype).